面向區域水資源生態安全評價的可拓云模型

王 鵬

(包頭市水利事業發展中心，內蒙古 包頭 014030)

隨著生產活動的日益增加，區域水資源生態系統呈現退化趨勢，水體生態因受到污染而遭到破壞[1]。水資源是區域可持續發展的戰略資源，與人們生活和區域經濟緊密相關，有必要治理水資源生態系統，解決水資源生態環境問題[2-3]。水資源生態安全評價是制定區域水安全戰略的基礎，由于各個水資源生態系統的自然特征存在差異，應對流域進行分級管理，分析影響水資源生態系統的因素，為各個區域水安全戰略提出針對性指導意見，從而提高水資源水質，改善流域水生態系統，促進水生態環境良性發展，保證水資源生態安全[4-5]。

現階段，區域水資源生態安全評價相關研究較為成熟，國外有效結合多個區域特征指標，包括土地利用、植物、土壤等，賦予區域特征指標權重，采用模糊評價法等，分析陸地生態系統和水資源生態系統之間相關程度高的關鍵因素，以水體類型和水生態區為基礎，評價水體的生態狀況，以此搭建水資源生態分區體系[6]。國內以水文特征時空差異為依據，分析水生態區和功能區的關系，結合水資源生態特征、空間數據、自然屬性，通過層次分析、主成分分析等方法，確定各個指標對水生態安全的影響程度，得到水生態安全效用值，得到水環境安全等級[7]。

為了掌握區域水資源生態安全狀況，實現流域水資源分級管理，構建了區域水資源生態安全評價的可拓云模型。

1 研究方法

1.1 構建評價指標體系

在構建區域水資源生態安全評價指標體系過程中，各個評價指標之間不相容或是存在矛盾，本文根據實際情況，遵循科學性、系統性、客觀性、動態性以及綜合性等原則，分析區域水資源生態安全影響因素，構建評價指標體系。該指標體系的具體描述如圖1所示。

圖1 區域水資源生態安全評價指標體系Fig.1 Evaluation index system of regional water resources ecological security

將水資源生態系統劃分為4個子系統，分別為壓力指標、狀態指標、管理指標、響應指標，通過壓力指標反映人們生產活動對區域水資源造成的負荷，響應指標表示人們面對水資源生態環境問題實施的治理措施和政治對策；管理指標反映水資源開發利用情況；狀態指標可以充分反映水資源生態環境質量狀況[8-9]。挑選壓力指標、狀態指標、管理指標、響應指標的次級指標，得到評價指標體系[10]。正向指標標準化處理公式為：

(1)

式中，Aij為第i年第j個指標的標準值；maxaij、minaij分別為原始值的最大值與最小值[11]。

負向指標處理公式為：

(2)

通過式(1)和式(2)，消除各項指標之間的量綱，使其具備可比性[12]。至此完成評價指標體系的構建。

1.2 計算評價指標權重

計算指標變異權重、熵權、模糊權重，得到指標組合權重。計算指標j均值Bj，指標j變異權重cj，指標熵值dj，熵權Ej[13-14]。設第o年第j個指標的標準值為Aoj，o∈(l，m)，建立各個年份評價指標的模糊矩陣(eoj)n×n。

將(eoj)n×n的最大矩陣元作為指標j的置信水平Fj，計算模糊權重fj。根據變異權重cj、熵權Ej、模糊權重fj，計算指標j的組合權重Gj，公式為：

(3)

由Gj衡量各個指標重要程度[15]。至此完成評價指標權重的計算。評價指標權重計算結果見表1。

表1 評價指標權重Tab.1 Weight of evaluation index

1.3 確定評價指標分級標準

由評價對象、評價指標、指標隸屬度，構成可拓云模型，評價區域水資源生態安全。將水資源生態安全作為評價名稱g，得到可拓云模型I：

(4)

式中，Hj為第j個指標；hkj為第j個指標關于等級k的隸屬度，k∈(l，J)[16]。

將水資源生態安全狀況劃分為5個等級，分別為A、B、C、D、E，表示非常安全、安全、基本安全、不安全、危險。A級說明水資源協調能力強，無水生態危機；B級說明協調能力良好，水生態危機很少；C級說明協調能力正常，存在部分水生態危機；D級說明協調能力變弱，水生態危機事件很多；E級說明協調能力特別弱，水災害事件頻率較高。各個評價等級的指標標準值上限maxAkj和下限minAkj，見表2。

表2 評價等級的指標標準值上限和下限Tab.2 Upper limit and lower limit of index standard value of evaluation grade

設評價等級k的指標標準值為Akj，具體見表3。

表3 2019—2021年水資源評價指標標準值Tab.3 Standard values of indicators from 2019 to 2021

假設Akj=Bj，將Akj視為一個云滴[17]，將Akj輸入正向云發生器，計算指標j關于等級k的期望值Kkj，公式為：

(5)

式中，maxAkj、minAkj分別為評價等級k的指標標準值的最大值與最小值[18-19]。

計算指標j關于等級k的標準差Lkj，隸屬度hkj計算公式為：

(6)

通過hkj和Gj的模糊轉換，得到整個評價指標體系關于等級k的隸屬度lk。根據隸屬度最大原則，將lk的最大值作為水資源生態安全等級[20]。

至此完成水資源生態安全等級的評價，實現區域水資源生態安全評價的可拓云模型構建。

2 區域水資源生態安全評價

2.1 研究區概況與數據來源

以某城市水資源為例，該城市位于長江中下游中部地區，總面積6 192 km2，降水量1 075 mm，蒸發量803 mm，平均溫度16.8 ℃，水資源總量28.83×108m3，地表水和地下水引用量分別為7.26×108、4.12×108m3，地表水引用率和開發率分別為45.3%和78.2%。

該城市降水量時空分布不均，隨著城市規模擴大，地下水水位下降，水環境質量日益惡化，截至2021年，全市Ⅰ—Ⅲ類水體占比為50.1%，劣Ⅴ類水體占比為17.1%。部分研究數據來自當地的統計年鑒，另一部分數據來自于現場調研。

2.2 評價指標性質

由該城市2019—2021年的統計年鑒、水資源公報、灌溉年報、河系供水量年報、水利綜合年報，獲得指標原始數據。不同評價指標對于水資源生態安全的影響如下：壓力指標的次級指標分別為污水排放總量、廢水排放總量、化肥農藥使用量、廢水化學需氧量，指標性質都為負向；狀態指標的次級指標分別為降水量、地下水總量、水資源總量、地表水總量，指標性質都為正向；管理指標分別為人均用水量、工業用水水平、生產總值、農業用水水平，指標性質分別為負向、正向、負向、正向；響應指標分別為水資源治理資金、污水處理量、地下水開發量、廢水達標排放量，指標性質都為正向。

2.3 結果分析

由指標標準值Aij、標準值上限maxAkj和下限minAkj，得到單個指標關于評價等級A、B、C、D、E的隸屬度hjk，由hjk和表3所示的組合權重Gj，得到該城市關于5個等級的隸屬度。單個指標評價等級見表4。

表4 單個指標評價等級Tab.4 Evaluation grade of single index

該城市水資源生態安全評價結果見表5。

表5 城市水資源生態安全評價結果Tab.5 Evaluation results of ecological security of urban water resources

由表5可知，該城市2019—2021年最大隸屬度分別為C級、B級、C級，表明2019年、2020年、2021年水資源生態安全等級分別為C級、B級、C級。

分析以上數據可知，該城市污水排放總量、廢水排放總量、化肥農藥使用量、廢水化學需氧量逐年減小，壓力指標作為負向指標，且呈現下降趨勢，但隨著城市人口擴張和經濟發展，仍為水資源帶來較大壓力；狀態指標作為正向指標，整體數值不高，2021年最低，這是由于2021年劣Ⅴ類水體比例變大，導致狀態指標整體偏低；響應指標逐年增加，這是由于當地政府認識到水資源保護的重要性，進行了一系列水資源改善措施，如引進污水和廢水處理技術、加長排水管道、建設水資源治理工程、改善水廠生產能力等；管理指標呈先增加后降低趨勢，這是由于該城市工業化規模不斷擴大，工業用水水平未能跟上工業化發展，新建工廠排污率未達標。相比2020年，該城市2021年水資源生態安全狀況整體處于下降趨勢，但要優于2019年，水資源生態基本安全，今后應重點治理壓力指標和管理指標，降低新建工廠工業用水水平以及加大廢水達標排放量的監督力度。

3 結語

此次研究利用可拓云模型，設計了一種區域水資源生態安全評價方法，以此劃分水資源生態安全等級，掌握區域水資源生態安全情況。但此次設計方法仍存在一定不足，在今后的研究中，會將人文環境、生物狀態、經濟壓力等因素納入評價指標體系，對水資源進行橫向比較，更全面地體現流域水生態安全等級，提升評價結果的精準度。